Materiaalitieteen ja tekniikan valtakunnassa termejä korroosio, hapettuminen ja ruoste käytetään usein keskenään. Näillä prosesseilla, vaikka niihin liittyvät, on kuitenkin selkeät ominaisuudet ja vaikutukset. Niiden erojen ymmärtäminen on välttämätöntä teollisuudenaloilla, jotka vaihtelevat rakentamisesta ilmailu- ja avaruusalaan, koska nämä ilmiöt voivat vaikuttaa merkittävästi materiaalien ja rakenteiden pitkäikäisyyteen ja turvallisuuteen.
Mikä on korroosio?
Korroosio on materiaalien, yleensä metallien asteittainen hajoaminen, jotka johtuvat kemiallisista tai sähkökemiallisista reaktioista. Se heikentää materiaalia ja vaikuttaa sen rakenteelliseen eheyteen. Korroosio voi johtaa epäonnistumiseen, jos ne jätetään tarkistamatta.
Materiaalien ominaisuuksien hajoaminen
Kun korroosio tapahtuu, se muuttaa materiaalin fysikaalisia ominaisuuksia. Tähän sisältyy vahvuus, ulkonäkö ja jopa johtavuus. Metallin ja sen ympäristön väliset sähkökemialliset reaktiot aiheuttavat tämän hajoamisen.
Korroosiotyypit
Korroosio ei ole sama jokaisessa skenaariossa. Eri ympäristöt ja materiaalit johtavat erilaisiin korroosiomuotoihin. Alla on joitain yleisiä tyyppejä:
Yhtenäinen hyökkäys : Tämä on yleisin korroosion muoto. Se tapahtuu, kun materiaalin koko pinta altistetaan syövyttävälle ympäristölle, mikä johtaa tasaiseen heikkenemiseen.
Galvaaninen korroosio : Tämän tyyppinen korroosio tapahtuu, kun kaksi erilaista metallia ovat kosketuksissa toisiinsa elektrolyytin läsnä ollessa. Vähemmän jaloista metallista tulee anodi ja se syötyy nopeammin.
ecell = e⁰katodi - e⁰anode - (rt/nf) ln ([ox]/[punainen])
Ecell = solupotentiaali, e0 = tavanomaiset elektrodipotentiaalit, r = kaasuvakio, t = lämpötila, n = siirrettyjen elektronien lukumäärä ja f on Faraday -vakio.
Korroosionopeus ∝ [Cl-] E (-∆G/RT)
Tässä yhtälössä AG on Gibbs -vapaan energian muutos, r on kaasuvakio ja t on lämpötila.
Pyöritys : Tämä on paikallinen korroosiomuoto, joka johtaa pieniin reikiin tai kaivoihin metallin pinnalla. Se voi olla vaikea havaita ja voi johtaa nopeaan vikaantumiseen.
Kransaarinen korroosio : Tämän tyyppinen korroosio tapahtuu metallin viljarajoja pitkin, usein epäpuhtauksien saostumisen tai eri vaiheiden muodostumisen vuoksi.
Eroosion korroosio : Se tapahtuu, kun syövyttävät nestettä liikkuu metallin pinnan yli suurella nopeudella aiheuttaen sekä mekaanisen kulumisen että kemiallisen hajoamisen.
Stressikorroosiohalkeus : Tämä tapahtuu, kun metalli altistetaan sekä vetolujuudelle että syövyttävälle ympäristölle, mikä johtaa halkeamien muodostumiseen ja leviämiseen.
Selektiivinen huuhtoaminen : Tämän tyyppinen korroosio sisältää yhden elementin selektiivisen poistamisen seoksesta, jättäen taakse heikentyneen, huokoisen rakenteen.
Korroosio vaikuttaa materiaaleihin
Korroosio ei vaikuta vain metalleihin. Muut materiaalit voivat myös heikentää:
Metallit : rauta, alumiini, kupari ja niiden seokset vaikuttavat eniten korroosioon.
Keramiikka : Vaikka keramiikka voi vähemmän yleistä, se voi heikentyä kemiallisten reaktioiden kautta ympäristönsä kanssa.
Polymeerit : syöpyttämisen sijasta polymeerit hajoavat. Tämä heikentyminen voi johtaa halkeiluun, vääntymiseen tai värimuutokseen.
Mikä on hapettuminen?
Hapetus on kemiallinen prosessi, jossa materiaali menettää elektroneja, jotka reagoivat tyypillisesti hapen kanssa. Se on osa jokapäiväistä kemiaa, mikä johtaa usein näkyviin muutoksiin, kuten väreihin tai tekstuuriin.
Kemiallinen prosessi, johon sisältyy elektronien menetys
Hapetuksessa aine luopuu elektroneista toiselle. Happi on yleensä aine, joka hyväksyy ne. Tämä reaktio voi esiintyä sekä orgaanisissa että epäorgaanisissa materiaaleissa, muuttaen niiden ominaisuuksia. Yleinen hapettumisreaktio voidaan esittää seuraavasti:
M → M⁺ + E⁻
Tässä 'm ' edustaa materiaalia (usein metallia), joka menettää elektroneja, ja siitä tulee positiivisesti varautunut ioni (M⁺).
Esimerkkejä hapettumisesta jokapäiväisessä elämässä
Hapetus vaikuttaa materiaaleihin, joita käytämme joka päivä. Tässä on joitain yleisiä esimerkkejä:
Raudan ja teräksen ruostuminen : Kun rauta reagoi hapen ja kosteuden kanssa, se muodostaa ruosteen. Ruosteen muodostumisen kemiallinen yhtälö on:
4fe + 3o₂ + 6h₂o → 4fe (OH) ₃
Tämä punertavanruskea kerros heikentää metallia.
Orgaanisten materiaalien hapettuminen
Hapetus tapahtuu myös elävissä organismeissa. Mutta toisin kuin metallit, vaikutukset voivat olla hyödyllisiä:
Aiheena aineenvaihdunnassa : Kehomme hapettuminen auttaa polttamaan ruokaa energialle, nopeuttaen aineenvaihduntaa.
Pienempi syöpäriski : Tietyt solujen hapettumisprosessit auttavat estämään haitallisten vapaiden radikaalien leviämisen, jotka voivat vähentää syöpäriskiä.
Mikä on ruoste?
Ruoste on erityinen korroosiotyyppi, joka vaikuttaa rautaan ja sen seoksiin, kuten teräkseen. Sille on ominaista punertavanruskea väri ja hiutaleinen rakenne.
Tämä korroosiomuoto tapahtuu, kun rauta altistuu kosteudelle ja happea. Ruosteen muodostumisprosessi sisältää useita vaiheita:
Hapetusreaktio : Rauta menettää elektroneja ja reagoi hapen kanssa veden läsnä ollessa rauta (II) -ionien muodostamiseksi.
Fe → Fe⊃2; ⁺ + 2e⁻
Rautahydroksidin muodostuminen : Fe⊃2; ⁺ -ionit reagoivat veden ja hapen kanssa raudan (ii) hydroksidin muodostamiseksi.
Fe⊃2; ⁺ + 2H₂O + O₂ → Fe (OH) ₂
Rautahydroksidin hapettuminen : rauta (ii) hydroksidi hapettaa edelleen raudan (III) hydroksidin muodostamiseksi.
4fe (OH) ₂ + O₂ + 2H₂O → 4FE (OH) ₃
Ruosteen muodostuminen : rauta (iii) hydroksididehydraatit raudan (III) oksidi-hydroksidin muodostamiseksi, joka tunnetaan yleisesti nimellä Rust. Tämä ruoste on rautaoksidien ja hydroksidien monimutkainen seos.
4fe (OH) ₂ → Fe₂o₃ · 3h₂o
Useat olosuhteet voivat edistää ruosteen muodostumista:
Kosteuden läsnäolo : Vesi toimii elektrolyyttinä, mikä mahdollistaa ruostumiseen tarvittavat hapettumisen vähentämisreaktiot. Korkea kosteus tai suora sade altistuminen voi nopeuttaa prosessia.
Altistuminen happea ja elektrolyyttejä : happi on välttämätöntä ruosteen muodostumiselle. Alueet, joilla on hyvä ilmastus tai korkea happipitoisuus, ovat alttiimpia ruostumiselle. Suolat ja hapot voivat myös lisätä metallin sähkökemiallista aktiivisuutta nopeuttamalla ruostumisprosessia.
Ympäristötekijät : Lämpötilalla on rooli ruosteen muodostumisessa. Korkeammat lämpötilat voivat lisätä kemiallisten reaktioiden nopeuksia, mikä johtaa nopeampaan ruostumiseen. Pinta -epäpuhtaudet, kuten lika tai öljy, voivat tarttua kosteuden metallin pintaa vasten, mikä luo paikallisia alueita alttiita ruosteelle.
Korroosion, hapettumisen ja ruosteen
| näkökulman | korroosion | hapettumisruosteen väliset | erot |
| Määritelmä | Materiaalien hajoaminen kemiallisista tai sähkökemiallisista reaktioista ympäristön kanssa | Kemiallinen prosessi, jossa aine menettää elektroneja, usein happea | Rauta- ja rautaseoksiin vaikuttavan korroosion muoto |
| Laajuus | Laajin termi, joka kattaa eri muodot materiaalin hajoamisesta | Erityinen kemiallinen reaktio | Raudan hapettumisen erityinen tuote |
| Materiaalit | Erilaisia materiaaleja, mukaan lukien metallit, keramiikka ja polymeerit | Sekä orgaaniset että epäorgaaniset aineet | Erityisesti rauta ja sen seokset |
| Ympäristötekijät | Vaatii elektrolyytin | Tarvitsee happea tai muuta hapettavaa ainetta | Vaatii sekä happea että kosteutta |
| Tuotteet | Voi johtaa erilaisiin yhdisteisiin | Tuottaa oksideja | Muodostaa rautaoksideja ja hydroksideja |
| Kemiallinen prosessi | Usein sisältyy elektronien siirto materiaalin ja ympäristön välillä | Elektronien menetys, usein happea | Rauta reagoi hapen ja veden kanssa |
| Esiintyminen | Eri muodot (esim. Pyöritys, skaalaus) | Voi olla näkyvä tai näkymätön materiaalista riippuen | Erottuva punertavanruskea väri |
| Vaikutus | Yleensä haitallinen aineellisille ominaisuuksille | Voi olla hyödyllistä (esim. Suojakerrokset) tai haitallisia | Aina haitallista rautapohjaisille materiaaleille |
| Taloudelliset vaikutukset | Merkittävä eri aloilla | Vaihtelee kontekstin mukaan | Huomattava rautaa käyttävät teollisuudenalat |
Korroosion, hapettumisen ja ruosteen vaikutus
Korroosiolla, hapettumisella ja ruosteella on kauaskantoisia seurauksia, jotka ulottuvat materiaalien hajoamisen ulkopuolelle. Ne voivat johtaa merkittäviin taloudellisiin menetyksiin, aiheuttaa turvallisuusriskejä ja jopa vahingoittaa ympäristöä.
Taloudelliset seuraukset
Korroosioon, hapettumiseen ja ruosteeseen liittyvät kustannukset ovat huikeat. NACE Internationalin tutkimuksen mukaan korroosion globaalien kustannusten arvioidaan olevan 2,5 biljoonaa dollaria vuodessa, mikä vastaa 3,4% maailman BKT: stä.
Nämä kustannukset sisältävät:
Suorat syöttömateriaalien ja rakenteiden korvaamisen tai korjaamisen suorat kustannukset
Epäsuorat kustannukset, kuten tuotannon menetys, ympäristövahinko ja oikeudenkäynnit
Korroosion ehkäisy- ja valvontatoimenpiteiden ylläpitokustannukset
Teollisuuteen, johon korroosio vaikuttaa eniten:
Öljy- ja kaasu
Kuljetus (auto-, ilmailu-, rautatie- ja meri)
Infrastruktuuri (sillat, putkistot ja rakennukset)
Valmistus- ja prosessointilaitokset
Turvallisuusongelmat
Korroosio, hapettuminen ja ruoste voivat vaarantaa rakennusten, ajoneuvojen ja infrastruktuurin rakenteellisen eheyden. Tämä heikkeneminen voi johtaa katastrofaalisiin epäonnistumisiin, mikä vaarantaa elämän.
Joitakin esimerkkejä korroosion aiheuttamista turvallisuusriskeistä ovat:
Siltojen tai rakennusten romahtaminen heikentyneiden teräsvahvikkeiden vuoksi
Putkilinjojen epäonnistuminen, mikä johtaa öljyvuotoon tai kaasuvuotoihin
Kriittisten komponenttien toimintahäiriöt lentokoneissa tai ajoneuvoissa
Syöpäriputkien juomaveden saastuminen
Ympäristövaikutukset
Korroosiolla, hapettumisella ja ruosteella voi myös olla merkittäviä ympäristövaikutuksia. Kun syöpynyt rakenteet epäonnistuvat, ne voivat vapauttaa vaaralliset materiaalit ympäristöön.
Esimerkiksi:
Syöpoiset varastosäiliöt voivat vuotaa kemikaaleja tai öljytuotteita, saastuttavia maaperää ja pohjavettä
Ruettutettu metallijäte voi huuhtoa raskasmetalleja ekosysteemiin
Infrastruktuurin heikkeneminen voi johtaa tehottomuuksiin, kasvihuonekaasupäästöjen lisäämiseen
Ehkäisy- ja lieventämisstrategiat
Korroosion, hapettumisen ja ruosteen lieventäminen ja lieventäminen vaatii monipuolisen lähestymistavan. Tähän sisältyy huolellinen materiaalivalinta, suunnittelun näkökohdat, suojaushoidot, ympäristönhallinta ja säännöllinen seuranta.
Materiaalin valinta ja suunnittelu
Yksi tehokkaimmista tavoista estää korroosio on käyttää materiaaleja, jotka ovat luontaisesti kestäviä sille. Joitakin esimerkkejä korroosiokeskeisistä seoksista ovat:
Nämä materiaalit muodostavat suojaavan oksidikerroksen niiden pinnalle, mikä auttaa estämään lisäkorroosiota.
Suunnittelulla on myös ratkaiseva rooli korroosion minimoinnissa. Insinöörien tulee:
Vältä teräviä kulmia ja rakoja, joissa syövyttävät aineet voivat kerätä
Varmista asianmukainen viemäröinti seisovan veden estämiseksi
Käytä hitsattuja liitoksia ruuvien tai niitattujen liitännäisten sijasta mahdollisuuksien mukaan
Suojapinnoitteet ja hoidot
Suojapinnoitteiden ja käsittelyjen levittäminen materiaalin pintaan voi auttaa estämään korroosiota. Joitakin yleisiä menetelmiä ovat:
Maalit ja öljyt : Ne luovat esteen metallin ja ympäristön välillä estäen altistumisen syövyttäville aineille.
Galvanointi : Tähän sisältyy raudan tai teräksen päällystäminen sinkkikerroksella, joka uhrallisesti syövyttää alla olevan metallin suojaamiseksi.
Sähköplantointi : Se kerää ohuen kerroksen korroosionkestävämpää metallia, kuten kromia tai nikkeliä, toisen metallin pintaan.
Anodisoiva : Tämä prosessi luo paksun, suojaavan oksidikerroksen metallien, kuten alumiinin, pinnalle.
Passivointi : Siinä on metallin pinnan käsitteleminen kemiallisella liuoksella suojaavan oksidikerroksen muodostumisen parantamiseksi.
Ympäristöhallinta
Ympäristön hallinta voi auttaa minimoimaan altistumisen syövyttäville aineille. Joitakin strategioita ovat:
Pienen kosteuden ylläpitäminen ilmassa kosteuden vähentämiseksi
Lämpötilan sääteleminen äärimmäisten heilahtelujen välttämiseksi, jotka voivat kiihdyttää korroosiota
Kukiotaimien, ilmastointilaitteiden tai lämmittimien käyttäminen ympäristön hallitsemiseksi
Materiaalien säilyttäminen kuivilla, hyvin ilmastoiduilla alueilla pois syövyttävistä aineista
Korroosion seuranta ja tarkastus
Säännöllinen seuranta ja tarkastus voi auttaa havaitsemaan korroosion varhaisessa vaiheessa, mikä mahdollistaa oikea -aikaisen intervention. Tähän sisältyy:
Visuaalisesti tarkastavat pinnat korroosion merkkejä, kuten värimuutoksia, pistoksia tai hiutaleita
Ei-tuhoamattomia testausmenetelmiä, kuten ultraäänipaksuuden mittausta tai radiografiaa, korroosion laajuuden arvioimiseksi vahingoittamatta materiaalia
Tarkastustuloksista yksityiskohtaisten tietojen pitäminen korroosion etenemisen seuraamiseksi ajan myötä
Korroosion ehkäisyn ja tekniikan edistysaskeleet
Kun taistelu korroosion vastaisesti jatkuu, tutkijat ja insinöörit kehittävät innovatiivisia ratkaisuja sen vaikutusten estämiseksi ja lieventämiseksi. Nämä edistysaskeleet vaihtelevat korkean suorituskyvyn pinnoitteista reaaliaikaisiin valvontajärjestelmiin ja uusiin materiaaleihin.
Suorituskykyisten pinnoitteiden kehittäminen
Yksi merkittävä edistyminen on edistyneiden suojapinnoitteiden kehitys. Nämä pinnoitteet tarjoavat paremman resistenssin korroosiolle, kulumiselle ja kemialliselle hyökkäykselle. Joitakin merkittäviä esimerkkejä ovat:
Epoksi- ja polyuretaanipinnoitteet : Ne tarjoavat erinomaisen tarttuvuuden, kestävyyden ja kosteuden ja kemikaalien kestävyyden. Niitä käytetään laajasti teollisuus- ja merisovelluksissa.
Fluoropolymeeripinnoitteet : tunnetaan poikkeuksellisesta kemiallisesta vastustuskyvystään ja alhaisista kitkalaitteistaan, fluoropolymeeripinnoitteista, kuten PTFE (Teflon), ovat ihanteellisia ankariin ympäristöihin.
Bio-inspiroimat itsensä parantavat pinnoitteet : Nämä innovatiiviset pinnoitteet jäljittelevät elävien organismien itseparantuvia ominaisuuksia. Ne sisältävät mikroskooppisia kapseleita, jotka on täytetty parannusaineilla, jotka vapautuvat pinnoitteen vaurioitumisen yhteydessä, jolloin se voi korjata itsensä.
Katodinen suojaus ja korroosion estäjäteknologia
Katodinen suoja on vakiintunut menetelmä korroosion estämiseksi metallirakenteissa. Se sisältää pienen sähkövirran levittämisen metalliin, mikä tekee siitä katodin sähkökemiallisessa kennossa. Tämä estää metallia syöpymästä.
Korroosionesto -estäjät ovat aineita, jotka lisättynä syövyttävään ympäristöön vähentävät korroosionopeutta. Ne toimivat muodostamalla suojakalvo metallin pinnalle tai muuttamalla ympäristökemiaa.
Näiden tekniikoiden viimeaikaisia edistysaskeleita ovat:
Vaikuttaneet nykyiset katodiset suojausjärjestelmät, jotka käyttävät aurinkoenergiaa tai muita uusiutuvia energialähteitä
Orgaaniset korroosion estäjät, jotka ovat peräisin kasviuutteista ja muista ympäristöystävällisistä lähteistä
Älykkäät pinnoitteet, jotka sisältävät korroosion estäjät, ja vapauttavat ne tarvittaessa
Reaaliaikainen korroosion seuranta ja varhaisvaroitusjärjestelmät
Korroosion havaitseminen varhaisessa vaiheessa on ratkaisevan tärkeää katastrofaalisten vikojen estämiseksi. Reaaliaikaiset valvontajärjestelmät käyttävät antureita jatkuvasti korroosioon liittyvien erilaisten parametrien mittaamiseen, kuten:
Sähkökemiallinen potentiaali
Korroosiovirta
Ympäristötekijät (lämpötila, kosteus, pH)
Nämä järjestelmät voivat hälyttää operaattoreita, kun korroosioasteet ylittävät hyväksyttävän tason, mikä mahdollistaa oikea -aikaisen intervention. Jotkut edistyneet järjestelmät käyttävät jopa koneoppimisalgoritmeja ennustamaan korroosiotapoja historiallisen tietojen perusteella.
Uusia materiaaleja ja tekniikoita korroosion ehkäisyyn meriympäristöissä
Meriympäristöt ovat erityisen haastavia korroosion ehkäisyn suhteen. Suolan veden, biologisen likaantumisen ja mekaanisen stressin yhdistelmä voi nopeasti heikentää jopa kaikkein vankeimpia materiaaleja.
Tutkijat kehittävät uusia materiaaleja ja tekniikoita näiden haasteiden vastaamiseksi, kuten:
Korroosiokeskeiset seokset, jotka sisältävät korkeat kromin, nikkeli- ja molybdeenin tasot
Komposiittimateriaalit, jotka yhdistävät metallien lujuuden polymeerien korroosionkestävyyteen
Nanorakenteiset pinnoitteet, jotka luovat superhydrofobisen pinnan, estäen vettä ja muita syövyttäviä aineita tarttumasta metalliin
Sähkökemialliset korroosionhallintamenetelmät, kuten vaikuttunut virran katodinen suojaus ja uhrausanodit
Johtopäätös
Korroosio, hapettuminen ja ruoste ovat toisiinsa liittyviä, mutta erillisiä prosesseja, jotka voivat vaikuttaa merkittävästi materiaaleihin ja rakenteisiin. Vaikka hapettuminen on laaja kemiallinen reaktio, korroosio hajottaa spesifisesti materiaaleja ja ruoste vaikuttaa vain rautaan ja sen seoksiin.
Näiden erojen ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää eri varojen turvallisuuden ja pitkäikäisyyden ylläpitämiseksi. Korroosiotieteen jatkuvan tutkimuksen tavoitteena on kehittää uusia ehkäisystrategioita ja tekniikoita näiden jatkuvien haasteiden torjumiseksi.
